CN109843501A - 电机主轴 - Google Patents

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Abstract

提出一种电机主轴，带有电磁的第一驱动系统，其中，设置有定子单元和可围绕旋转轴线转动的转子单元，该转子单元具有至少一个转子轴和用于容纳加工工具的工具容纳部，其中，在所述定子单元中设置有至少一个用于可转动地支撑所述转子单元的轴承单元，其中，所述工具容纳部设置在所述转子单元的端部区域中，其中，所述定子单元具有至少一个定子壳体，该定子壳体带有至少设置在所述转子单元的端部区域中的端部区段，该电机主轴可更加灵活地使用，和/或减小构造上的或运行经济上的代价。根据本发明，这通过如下措施来实现：所述定子单元包括至少一个电机，该电机具有电磁的第二驱动系统，且带有定子和可转动的转子，其中，所述转子具有所述定子单元的端部区段的至少一个可转动的壳体部件。

Description

电机主轴
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的电机主轴。
背景技术
在机床特别是铣削机、带有多轴加工的数控(CNC)加工中心等之中，非常频繁地使用带工具夹紧器的电机主轴，这些工具夹紧器能实现自动的工具更换。这意味着，工具与机床主轴的轴被这样连接，从而能将工具自动地松开。为了夹紧，在大多数情况下使用通常与弹簧组等连接的工具夹紧器。由此产生的夹紧力通过拉杆传递到夹具区段上，这些夹具区段又使得工具与轴连接。
为了松开，给拉杆、进而也给蝶形弹簧组施加以轴向作用的松开力，该松开力把这些弹簧压紧在一起，因而实现拉杆的轴向移动，这又导致夹紧区段在工具容纳部区域中的松开运动。
加工工具在此具有标准化的轴杆，特别是SK或HSK，该轴杆被保持/夹紧在工具容纳部中。
恰恰对于现代的机床，可以进行多轴加工。根据DE 198 50 708C2，电机主轴为此目的以可运动/可摆动的方式安置，从而可以实现工件的多轴加工。
也已经使用所谓的测角器头，其中，钻头、铣刀等相对于电机主轴的旋转轴线成夹角地、特别是成直角地朝向。在此，旋转的工具或钻头/铣刀被电机主轴或转子轴驱动，其中，测角器头也具有标准化的轴杆，特别是SK或HSK。但工具并不(对齐地)围绕旋转轴线旋转，而是与其形成夹角特别是直角。为了防止整个测角器头围绕旋转轴线旋转，其除了具有轴杆或HSK/SK外，还具有保持器或所谓的扭矩支持件，该扭矩支持件顶靠在或被保持在、在一定程度上“锚定”在电机主轴的定子上。
除了刚性的或无源的测角器头外，还已知“有源的”具有转动系统的测角器头。由此，测角器头可以移调工具例如钻头的方向，或者使它围绕电机主轴的旋转轴线转动。由此，可以例如在弯曲的型材比如飞机承载面型材、球等上开设出各种分别垂直于表面地朝向的钻孔，而不必更换测角器头或加工工具。根据DE 10 2006 046 502A1，借助转子轴和繁琐的耦联系统或机械的切换系统来使得测角器头的工具产生转动。由DE 102006 030159A1已知一种测角器头，其具有自己的驱动系统，以便移调/转动工具的方向。但这种可转动的测角器头的缺点是，要附加地设置能量供应或机械装置。
因而除了用于上述的特殊应用情况或加工操作的无源的或刚性的测角器头外，还需要附加地设置这些可转动的测角器头，且在需要时将其安装到电机主轴上，这意味着额外的装配时间或工具更换。相应地，对于机床的操作者，产生了高昂的技术和财力开销。
发明内容
相比之下，本发明的目的是，提出一种电机主轴，其可以以更加灵活的方式使用和/或减小了构造上的或运行经济上的代价。
基于开篇所述类型的松开单元，所述目的通过权利要求1的特征得以实现。通过在从属权利要求中提到的特征，可以实现本发明的有利的设计和改进。
相应地，本发明的松开单元的特征在于，定子单元包括至少一个电机，该电机具有电磁的第二驱动系统，且电机带有定子和可转动的转子，其中，转子具有定子单元的端部区段的至少一个可转动的壳体部件。
借助于这种电机主轴，相比于以前的电机主轴，可以实现新的附加的功能。因而转子例如可以相对于电机主轴的转子单元或者转子轴独立地或者与其分开地移调或转动，即被驱动。也就是说，电机的转子可以相对于转子单元或转子轴来移调/转动，必要时能同时被驱动和/或分别在分开的或独立的运行阶段中被驱动，以及特别是用于实现各种不同的功能。
因此，不仅能像现有技术中那样来驱动工具，而且必要时可以在利用工具加工的同时实现第二加工部件和/或第二功能。
借助于这种集成在电机主轴中的附加的电动机，可以实现根据本发明的特别节省空间的电机主轴。因此在机床中的可用空间或结构空间通常非常有限的情况下，可以以有利的方式设置根据本发明的节省空间的结构单元，并且例如也可以将其用于工件的更小的空腔或内凹/用在其中。
根据本发明的、节省空间的电机主轴连同“无源的”或刚性的测角器头能够以有利的方式来代替通常的电机主轴，其具有体积相对较大的、“有源的”可转动的测角器头。因此，根据本发明，可以加工出工件的相对较小的内凹。也就是说，例如，可以利用一个唯一的、刚性的加工工具或测角器头来实现定向/朝向不同的多个钻孔等。于是省去了用于更换加工工具的装配时间。此外，可以将“无源的”或刚性的测角器头等构造得体积更小或制造得更薄/更窄，使得根据本发明的高度集成的电机主轴结合这种加工工具或测角器头能够“沉入”到更小的空腔或内凹、底切等之中，这还提高了电机主轴的灵活性，或者开启了其它的或新式的应用可行性。
因此，根据本发明，可以使用其中可以省去单独的电的、液压的或机械的能量供应的加工工具或测角器头。这使得根据本发明的机床或电机主轴/机床主轴以经济上特别有利的方式操作。
因而，相应的机床主轴/电机主轴的以前常见的或标准的工具组件可以继续使用，其例如具有带HSK或SK等的工具特别是测角器头，而不必对其进行改变或使其适用于根据本发明的电机主轴。相应地，要使用的工具或测角器头在经济上是有益的。
在本发明的一种有利的变型方案中，可转动的壳体部件和/或端部区段的可转动的端面被设计成用于保持加工工具的工具保持器。于是可以使用标准化的加工工具比如测角器头，其已经包括与工具保持器或壳体部件和/或端面处于作用连接中的所谓的扭矩支持件或锚部件。此外，保证了在加工/切削工作或转子单元转动期间加工工具或测角器头的牢固的定位。
优选地，壳体部件和/或可转动的端面具有用于加工工具或测角器头的内凹和/或止挡面。由此可以有利地防止：(在转子单元转动时)加工工具或测角器头等一同转动。因此，即使在转子单元转动时，加工工具或测角器头或工具部件比如钻头、铣刀等的方向在加工/切削加工期间也保持不变。
替代地或与其组合地，用于加工工具或测角器头的壳体部件和/或可转动的内凹和/或止挡面不(仅)可以在端面上，而且可以有利地在端部区段的定向于/朝向径向方向的环周或环周面上。这意味着，壳体部件也或者仅仅沿环周方向伸展，和/或有利地具有环周面和/或内凹等，其构造成用于保持加工工具的工具保持器。
有利地，设置至少一个位置传感器，用于检测转子的和/或壳体部件的转角位置。由此可以特别是借助电子/电气的控制单元，在加工/切削加工期间对加工工具或测角器头或工具部件比如钻头、铣刀等的所希望的或所需要的朝向进行检测和/或设置或调整。
优选地，电磁的第二驱动系统在旋转轴线方向上至少部分地设置在端部区段的端面与连接法兰之间，该连接法兰用于将定子单元固定在主轴箱上。于是，一方面可以把电机主轴牢固地固定特别是拧紧在机床的容纳部、主轴箱或机器壳体等等中。另一方面，电机的电磁的第二驱动系统(其特别是用于使得加工工具或测角器头或工具部件比如钻头、铣刀等围绕旋转轴线转动)可以有利地被安装在主轴箱前/旁，并且在需要时被拆下或更换。这提高了根据本发明的电机主轴的经济性。
优选地，连接法兰构造成电机连接法兰。这意味着，有利地将电磁的第一驱动系统布置或固定/拧紧在连接法兰的一侧、并且将电磁的第二驱动系统布置或固定/拧紧在连接法兰的另一侧或者说相对侧。于是，无需大的努力，一方面可以将电机主轴牢固地固定在机床中，另一方面可以将电机特别是定子和/或转子或其部分从其上拆下以及再安装或更换。由此，例如可以在需要时更换电机需频繁维护的组件，而无需大的努力。这特别是在转子的轴承或位置传感器等受损的情况下，提高了根据本发明的电机主轴的经济性。
在本发明的一种有利的实施方式中，电磁的第一驱动系统至少部分地设置在轴承单元与至少一个轴承装置之间，该轴承装置用于可转动地将转子单元支撑在定子单元中。于是，电机主轴的面向工具的或者说前部的端部区域优选具有第一滚动轴承，特别是采用X形布置或O形布置的固定轴承或滚动轴承单元，以及，背离工具的或者说后部的端部区域具有第二滚动轴承特别是浮动轴承，电磁的第一驱动系统基本上设置在它们之间。根据本发明的电机主轴于是具有朝向旋转轴线方向的长度，该长度大于定子壳体的直径，特别地是其两倍。
这种电机主轴的固定-浮动轴承组合的巨大优势是，靠近工具容纳部的固定轴承在前部区域中将主轴轴杆的轴向运动减小到最小。这又导致工具仅仅遭受很小的轴向移位。这尤其在现代机床构造中或者对于现代的高性能电机主轴等非常有利，因为如今对相应的机床比如CNC机床等提出了很高的精度要求。在这种情况下，不只必须保持百分之一毫米的精度，而且实际上要保持千分之一毫米的精度。
通常，可考虑的是，即使已有的或生产的、甚至长久以来已投入运行的机床主轴/电机主轴也可以根据本发明来进行改装/加装。这意味着，例如，现有的电机主轴的所谓的主轴头可以由根据本发明的电机主轴来代替。
定子单元按有利的方式具有冷却单元和/或回转接头或者用于冷却剂和/或润滑剂等的介质导引件，使得相应的介质或者冷却剂和润滑剂等能够例如在端侧从松开单元的一端经过松开单元并经过根据本发明的转子单元被导引至工具夹紧器，或者被导引至工具/工件。
电机或定子优选具有冷却装置。有利地，冷却装置包括与定子单元的所述冷却单元相同的冷却介质，特别是冷却液体。有利地，在冷却单元与冷却装置之间存在连接管路/通道。由此降低了用于冷却根据本发明的电机单元的代价，因为特别是仅仅需要用于冷却介质/冷却系统的两个外部接头或闭合的冷却回路。
有利地，电机的转子包括第二驱动系统的至少一个永磁体。这意味着，根据本发明，永磁体被布置在转子的外侧/外面上/处，或者至少部分地形成转子的向外朝向/指向的表面。必要时设置一些固定组件用来稳固地固定永磁体。这例如可以是捆绑物和/或粘接层或粘接剂等。
通常，根据本发明的电机主轴和/或电机可以有利地构造成同步电机或异步电机。
优选地，电机的至少一个轴承构造成交叉滚子轴承。由此实现利用一个唯一的滚动轴承即可实现吸收相对大的轴向的和径向的力。这意味着，由此可利用仅仅一个唯一的滚动轴承来实现轴向/径向轴承，因此这种支撑布置需要特别小的结构空间。
在本发明的一种有利的变型方案中，设置有至少一个传感器，用来检测壳体部件和/或转子的位置。例如，设置至少一个传感器或接近传感器，特别是电感式或电容式或光学的或电磁的或超声/雷达的传感器。
优选地，传感器设计成用于检测转动角度的自动同步发送机(增量的和/或绝对值的)。于是可以按有利的方式确定壳体部件和/或转子在环周方向上的位置或者圈数或移调距离/移调角度。
通常，带有标准化的轴杆或SK、HSK等的所谓的测角器头与目前已经在商业上常见的工件夹紧器可以组合或者组合作用。在这种情况下很多蝶形弹簧可用于在工作位置夹紧工具。
在本发明的一种有利的变型方案中，设置有用来检测电机电参数的传感器单元。例如规定：对电的第二驱动系统的功率/功率消耗和/或操作电流或操作电压进行分析。于是，特别是可以按有利的方式检测空载和/或受损。优选地规定实际值-给定值比较，其中，例如把较小的空载电流或空载功率和/或电流与(存储的)给定功率等相比较，以便检测/确定工具的正常工作或夹紧/固定、和/或测角器头的位置或功能。例如，在加工期间借助于可相应地被检测的固定/保持电流来固定加工工具或测角器头，/这可相应地予以检测。
此外，近年来对切削的要求已在提高，特别对诸如进给量、角速度的参数。于是在使用工具的同时，其中，在加工期间通过相应的传感器确定实际厚度或尺寸精度，并将其用于控制机床或用于调整工具。例如使用超声波传感器，其布置在转子轴上/处或者布置在(旋转的)工具中/上。
优选地使用至少一个电的回转接头(Drehdurchfuehrung)或能量传递系统，其在固定部分或定子与旋转部分或转子之间传输电能或电信号/信息。在此，回转接头或能量传输系统沿轴向和/或径向方向/定向地来实现。也就是说，两个彼此相对运动的/移调的/旋转的组件或构件组轴向地或径向地定向。
这例如利用传输线圈来实现，传输线圈基本上由两个处于作用连接中的线圈(带有铁氧体磁芯)构成，并且在它们之间存在固定地设置的或限定的间隙。间隙的尺寸精度很重要，以便不影响能量传输和/或信号传输。因此可以把这些传输线圈布置在转子与定子之间，和/或布置在转子单元与定子单元之间，尤其布置在工具附近的前部区域中，或者布置在前部的固定轴承的区域中。
然而，也可以使用滑动触点等，以便设计成电的回转接头或能量传输系统，其在固定部分或定子与旋转部分或转子之间传输电能或电信号/信息。
在本发明的一种有利的变型方案中，定子单元或电机特别是可转动的壳体部件包括一个或多个前述的传感器等。然而，可替代地或者与此组合地，也可以实现本发明的一种有利的变型方案，其中，带有工具部件比如测角器头等的加工工具包括至少一个用来检测电的运行参数的传感器。
在此特别有利的是，根据本发明的电机主轴特别是可转动的壳体部件具有电连接单元比如插头等，用来在加工工具与根据本发明的电机主轴特别是可转动的壳体部件之间进行电连接/传输电能和/或电信号。由此电能和/或控制信号和/或运行信号/测量信号可以供应或传输给例如加工工具的驱动件和/或传感器。例如，由此可以有利地借助于连接单元或插头等把传感器信号从可转动的加工工具的传感器传输到可转动的壳体部件上，必要时还将其传输至电机主轴和/或机床的有利的电气/电子的操控/控制单元。这附加地提高了根据本发明的电机主轴的功能性或灵活性。
附图说明
附图中示出了本发明的一个示例性实施例，下面借助附图对其予以详述。
具体地：
图1示意性地示出根据本发明的第一电机主轴，其带有已安装的测角器头或加工工具；
图2示意性地示出根据图1的第一电机主轴的放大的局部剖切的断面；
图3示意性地示出根据本发明的第二电机主轴的放大的局部剖切的断面。
具体实施方式
在这些附图中分别示出了电机主轴1，其带有定子单元2和可围绕旋转轴线15驱动的、可转动的转子单元3，该转子单元带有转子轴26。定子单元2尤其包括定子壳体8的定子套筒4、松开单元5、连接法兰7以及电机6，该电机6带有本发明意义下的可转动的壳体部件9。
此外，电机主轴1包括：工具容纳部14，其带有夹紧系统的夹具13；前面的轴承10，其优选构造成预加载的带两个滚动轴承/球轴承的轴承单元10；和未详细示出的后面的轴承11以及未详细示出的电的第一驱动系统12，该驱动系统基本上布置在两个轴承10、11之间，如本领域技术人员所知道的那样。电的第一驱动系统12的在定子套筒4或定子单元2内部的(液体)冷却系统也未示出，但对于本领域技术人员是已知的。
在此，工具容纳部14包括前面的端面或者说端部面42，其形成了在本发明的意义下的转子单元3或电机主轴1的最前面的点/部分。工具30固定在其上。
连接法兰7一方面与定子套筒4旋拧连接(旋拧部17)，另一方面，它可以牢固地旋拧连接/固定到机床的未详细示出的主轴箱。为此，连接法兰7具有用于螺钉的有利的孔16。这能实现有利地固定在机床中，其在需要时可以拆下，以便对整个电机主轴1予以更换/维护等。
同时，有利地，电机6的定子18借助于螺钉19等被牢固地安装/固定在连接法兰7上。定子18包括电的第二驱动系统20的(液体)冷却系统24。电的第二驱动系统20优选具有定子18的驱动线圈21和转子23的永磁体22。
此外设置有有利的电机轴承27，特别是交叉滚子轴承27，用于把可围绕旋转轴线15转动的转子23支撑在定子18中，以及设置有至少一个传感器29或自动同步发送机/编码器。于是可以检测转子23的相对于定子18的角度位置或姿态，并且例如利用未详细示出的控制/操控单元借助由此有利地已知的、转子23或可转动的壳体部件9的位置/角度位置，可以确定和设定/断定带有工具部件31比如钻头、铣刀等的加工工具30的位置或姿态。
在图1中明显的是，加工工具30具有扭矩支持件32，其在一定程度上作为“锚”，其中，加工工具30的螺栓35、销钉等伸入到转子23的可转动的壳体部件9的端面41的内凹33中，或者被顶靠在其中。因此，在转子23转动时，加工工具30的壳体37随之转动/旋转，从而工具部件31的定向改变/转动。也就是说，工具部件31的或加工工具30的加工轴34可围绕旋转轴线15移调/转动。由此可以对例如弯曲的工件表面予以有利的应用或者说钻孔/加工，比如对球(内部/外部)、飞机机翼的弯曲的承载面型材予以加工或钻孔。
于是显然的是，根据本发明，前述的应用不需要具有自身的繁琐且体积相对大的驱动件或驱动系统的加工工具30，而是采用根据本发明的电机主轴1，体积小的或者节省空间的、成本低廉的特别是带有锥齿轮传动的加工工具30(轴线15和轴线34形成夹角地，特别是相互间形成直角地来定向)就足够了。因此可以使用标准化的特别是配备有锥轴、HSK等的加工工具30。
此外可考虑本发明的其它的新型的有利的应用，比如使用工具如铣刀、带HSK的钻头对工件予以钻削/铣削，该工具借助转子单元3或转子轴26转动/受驱动，附加地和/或同时地在转子23的可转动的壳体部件9外面可以对工件进行有利的第二次加工，比如对工件表面抛光等。这是电机主轴1的一种全新的功能。
此外，电机6具有用于检测加工参数和/或电机参数的传感器36。例如，可探测工具或加工工具30(正常地)位于、固定于电机主轴1上或者夹紧系统或工具容纳部14中。传感器36的(电的)能量/信号线路可以在轴向或径向上从转子23到定子18一方面借助滑动触点39实现，和/或另一方面无接触地(40)实现。
原则上，代替传感器36，可以替代地或者组合地设置有利的插头(未详细示出)，利用该插头可以在电机主轴1或转子23的可转动的壳体部件9与加工工具30之间交换/传输电能和/或信息/信号。
根据图1、图2和图3的两种变型方案之间的主要区别是，在第一种变型方案中(参见图1、图2)，可转动的组件或转子23设置在定子18的固定不动的或者不可转动的组件之间，轴承27在环周在外部是固定不动或不可转动的，也就是说，外圈固定不动，而内圈转动。在轴承27受损时，在此优选借助螺钉19把定子18从法兰拆下来并予以更换。
在根据图3的第二种变型方案中，可转动的组件或转子23同样设置在定子18的固定不动的或者不可转动的组件之间，其中，轴承27在环周在外部可转动，也就是说，内圈固定不动，而外圈转动。在轴承27受损时，在此优选仅把转子23(特别是壳体部件9和转子部件40、包括轴承27和传感器36在内)拆下来或拧下来。这引起特别小的耗费，此外尤其成本低廉。
总之，采用本发明可以实现在所谓的主轴头或所谓的主轴凸耳上对对应轴承的所谓无级移调(借助于壳体部件9)，所述对应轴承围绕旋转轴线15转动并且与其同心地构造。此外，可以借助于电机6实现有利的伺服驱动，以便被用来驱动/移动/移调工具31的或加工工具30的附加轴。
在本发明中在根本上特别有利的是，无需大的代价即可更换和/或加装转子构件组或转子23和/或整个电机6。此外，无需大的代价即可更换传感器36。
所有这些都开启了电机主轴1的新型的功能，能被实现为特别节省空间或者体积小，可以实现特别成本低廉的运行方式。

Claims (10)

1.一种电机主轴(1)，带有电磁的第一驱动系统(12)，其中，设置有定子单元(2)和能够围绕旋转轴线(15)转动的转子单元(3)，该转子单元具有至少一个转子轴(26)和用于容纳加工工具(30、31)的工具容纳部(13、14)，其中，在所述定子单元(2)中设置有至少一个用于可转动地支撑所述转子单元(3)的轴承单元(10、11)，其中，所述工具容纳部(13、14)布置在所述转子单元(3)的端部区域中，其中，所述定子单元(2)具有至少一个定子壳体(8)，所述至少一个定子壳体带有至少布置在所述转子单元(3)的端部区域中的端部区段，其特征在于，所述定子单元(2)包括至少一个电机(6)，该电机具有电磁的第二驱动系统(20)，且带有定子(18)和可转动的转子(23)，其中，所述转子(23)具有所述定子单元(2)的端部区段的、能够通过所述定子(18)驱动的至少一个可转动的壳体部件(9)。
2.如权利要求1所述的电机主轴，其特征在于，所述可转动的壳体部件(9)包括所述端部区段的至少一个可转动的端面(41)。
3.如前述权利要求中任一项所述的电机主轴，其特征在于，至少所述转子(23)和/或所述可转动的壳体部件(9)相对于所述转子单元(3)的旋转轴线(15)同心地布置。
4.如前述权利要求中任一项所述的电机主轴，其特征在于，所述可转动的壳体部件和/或所述端部区段的可转动的端面(41)被构造成用于保持所述加工工具(30、31)的工具保持器(13、14)。
5.如前述权利要求中任一项所述的电机主轴，其特征在于，所述加工工具(30、31)包括至少一个能够围绕加工轴线(34)转动的、能够被所述转子单元(3)驱动的加工部件(31)，其中，所述加工轴线(34)相对于所述转子单元(3)的旋转轴线(15)成锐角或直角地布置。
6.如前述权利要求中任一项所述的电机主轴，其特征在于，设置有至少一个位置传感器(29)，用来检测所述转子(23)的和/或所述壳体部件(9)的旋转角度位置。
7.如前述权利要求中任一项所述的电机主轴，其特征在于，所述可转动的壳体部件(9)和/或所述端部区段的可转动的端面(41)在所述旋转轴线(15)的方向上至少部分地布置在所述轴承单元(10)与所述转子单元(3)的端部区域、特别是所述工具容纳部(13、14)的端部面(42)之间。
8.如前述权利要求中任一项所述的电机主轴，其特征在于，所述电磁的第二驱动系统(20)在所述旋转轴线(15)方向上至少部分地步置在所述端部区段的端面(41)与连接法兰(7)之间，该连接法兰用于将所述定子单元(2)固定在主轴箱上。
9.如前述权利要求中任一项所述的电机主轴，其特征在于，所述电磁的第一驱动系统(12)至少部分地布置在所述轴承单元(10)与至少一个轴承装置(11)之间，该轴承装置用于可转动地将所述转子单元(3)支撑在所述定子单元(2)中。
10.一种机床，带有根据前述权利要求中任一项所述的电机主轴。
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